苏-11 的操控性不好，雷达和导弹的性能也不能使防空军完全满意，所以苏-11 在新西伯利亚只生产了区区 112 架就早早中止，工厂转产雅克-28 截击机。苏联的飞机设计局和飞机工厂之间没有固定的协作关系，设计定型后，生产有一个先来后到，哪个工厂有剩余产能就在哪里投产，要是谁也没有剩余产能，就可能面临无疾而终的危险。苏-6 在二战中就因为要挤占已经投产的伊尔-2 不成而夭折，苏霍伊当然对此记忆犹新。为了确保设计局的前程，苏霍伊和雅科夫列夫狠斗了一番，除了航程外，苏-15 的性能全面优于雅克-28，最后决定雅克-28 为苏-15 让路。1966 年 3 月 6 日，第一架生产型苏-15 下线，工厂试飞员索罗金驾机首飞。6 月二号机首飞，1967 年，苏-15 开始批量交付防空军，生产一直持续到 1979 年。1967 年 7 月 9 日，新生的苏-15 和米格-23、米格-25 一起，参加多莫达多沃航空表演，纪念十月革命 50 周年。苏-15 作为防空军的主力，一直服役到到 90 年代中期。至此，苏霍伊在苏联战术飞机世界的半壁江山得以建立。
苏-15 的生产后期改用外翼段减小后掠角的双三角翼，以改善中空中速机动性。苏-15 是为高空高速截击设计的，但战争实际表明，高速轰炸机突防的可能性已经被和敌方争夺制空权所取代。大后掠的三角翼有利于减小超音速阻力，但在空战常见的中低速度时，难以“兜住”迎面气流而产生足够的升力，导致机动性较差。在外翼段减小前缘后掠角还增大了翼展和翼面积，兼顾高空高速和中低空机动性，同时也改善了起落性能。中国的歼-7 后期改进型也采用了类似的思路，不过中国的双三角翼更进一步，外翼段的后缘还带有前掠，以控制随速度增加而引起的升力中心的后移。
后期苏-15 的发动机也可以在图曼斯基 R11 和图曼斯基 R13（大改的米格-21 比斯的发动机，军用推力 4,400 公斤，加力推力 6,600 公斤）之间换用。雷达换用 Taifun 和 Taifun-2，雷达罩从简单的直边缘锥形变成带弧线的形状，可以挂载更先进的 R98、R98M、R60（北约代号 AA-8“蚜虫”）空空导弹。为了培训飞行员，苏-15 还有双座型。
早期苏-15 采用简单三角翼
后期苏-15 的机翼前缘外段后掠角减小，翼展和翼面积加大，机动性改善
双发使苏-15 的可靠性相对于同时代的苏联战斗机要高
早期苏-15 的雷达罩是简单的锥形
后期苏-15 的雷达罩的轮廓就带有弧线
苏霍伊还设计过采用 S 形前缘机翼的苏-19，但无疾而终，后起之秀已经远远超过了改进苏-15 所能达到的
苏霍伊还用苏-15 作变后掠翼、滑橇起落架、空中加油的的试验平台。为了减小起飞着陆距离和提高对机场跑道遭到破坏时的出动能力，苏霍伊还为一架苏-15 还装上三台 RD36 升力发动机，作为苏-15VD 短距起落研究机。苏-15VD 不能垂直起落，升力发动机只是用来缩短起落滑跑距离的。试验表明，起落速度大大降低，滑跑距离大大缩短，但升力发动机的死重和油耗太大，挤占的机内油箱体积进一步限制了航程。升力发动机炽热的下洗气流反弹不仅损坏机体结构，更对外挂影响严重，使苏-15 不能作为一架有效的截击机。
防空军飞行员对苏-15 的评价很高，认为苏-15 的操控性和机动性都不错，不过容错余度较小。苏-15 的双发使安全性较好，到 1992 年为止，苏-15 的累计安全纪录为每 10 万小时损失 6.2 架，相比之下，米格-25 为 10 架，米格-31 为 11.5 架，F-15 为 6 架，F-16 为 10 架。
苏-15 只用于防空军，也从不出口，只有一小队苏-15 曾在埃及使用，由苏联防空军人员操纵。苏-15 的截击方式可以是全手动，由地面用话音指挥；半自动，有地面用数据链上传指令和敌我坐标、速度矢量等战术信息；或者全自动，有地面全程控制从接近、拦截到返航的全过程，飞行员只管起飞和着陆。半自动截击是主要作战方式。防空军曾出动十多架飞机进行大型突防和拦截试验，准备前赴后继，层层拦截。但首当其冲的苏-15 不负众望，一击夺命，后续梯队还没有起飞，试验就结束了。
苏-15 没有经历过大规模战争，但尴尬地上过几次头版头条。1978 年 4 月 20 日，一架从巴黎经安克雷奇飞往汉城的大韩航空波音 707 突然偏离航线，向北方舰队的基地摩尔曼斯克飞来。防空军的苏-15 奉命拦截。在波音 707 两侧反复示意、要求迫降，机上乘客惊恐地看见这架涂有红五星的战斗机在两侧翻飞，但机长没有反应，继续向芬兰方向飞去。苏-15 奉命开火，导弹打掉波音 707 的一段左机翼和左外发。波音 707 从 9,000 米高空剧烈地掉高度，最后在 2,000 米高度上稳住了。这时另一架苏-15 再次接近，要求迫降，这一次机长服从了。但飞机飞不到指定的防空军机场，最后在离芬兰边境 30 公里的一个冰湖上成功地迫降。110 名乘客和机组成员中，有 2 名被导弹的弹片击中丧生，其余幸存。克格勃的调查结果是飞机导航设备故障造成迷航。
1981 年 7 月 18 日，一架伊朗（也有说是阿根廷的）CL-44 小客机从伊朗进入格鲁吉亚上空，防空军的苏-15 奉命拦截，要求迫降未果之后，苏-15 把入侵飞机撞了下来，飞行员跳伞生还。
苏-15 最“出名”的一次是 1983 年 9 月 1 日。这天凌晨 3 点 30 分，一架正在从纽约飞往汉城的大韩航空波音 747 客机被在暗夜中被击中，飞机在 9,000 米高空爆炸，残骸伴随着火光消失在茫茫的北太平洋上。对于这架航班号为和詹姆士邦德的代号惊异地巧合的大韩航空 007 的波音 747 被击中事件，阴谋论一直不绝于耳。迷航是韩国和西方的官方说法，苏联则指责间谍飞行，并出示事发前后美国空军 RC-135 在重合航线上的活动记录。可以确定的事实是，大韩航空 007 偏离规定的航线达到 400 公里，深入苏联领空 2.5 小时，航迹飞经绝密的堪察加半岛苏联核潜艇基地的上空，美国和日本的航管清楚地看到了偏离的航迹但无人按照规定发出警告。在防空军的苏-15 开炮警告之后，大韩航空 007 依然不加理睬，而不是听从命令迫降，直到被击落，扣扳机的就是一架苏-15。机上 269 名乘客和机组成员全部丧生。